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Terahertz Channel Transmission in Dielectric Waveguide Near PCB Substrate

本文通过实验与仿真研究了靠近 PCB 基板的 3D 打印聚丙烯太赫兹介质波导的传输特性，揭示了裸板接触导致的严重频率选择性损耗以及铜层屏蔽和增加间距对抑制衬底辅助泄漏、降低附加衰减的关键作用，从而为面向封装的太赫兹互连设计提供了实用指导。

原作者： Wenbo Liu, Jiabiao Zhao, Kefeng Huang, Peian Li, Baiquan Xu, Yang Cao, Weidong Hu, Jianjun Ma

发布于 2026-03-27

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原作者： Wenbo Liu, Jiabiao Zhao, Kefeng Huang, Peian Li, Baiquan Xu, Yang Cao, Weidong Hu, Jianjun Ma

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

这篇文章主要讲的是：在太赫兹（THz）这种超高速通信时代，如何让“光信号”在电路板附近安全、顺畅地跑，而不被旁边的“金属”或“塑料”给绊倒或吸走。

为了让你更容易理解，我们可以把这篇论文的研究内容想象成一场**“高速公路与路边障碍物”的实验**。

1. 背景：为什么要研究这个？

想象一下，未来的电子设备（比如超级电脑或 6G 手机）需要传输海量数据，就像在高速公路上跑着成千上万辆卡车。

传统的电线：就像老旧的土路，跑得太快（频率太高）就会发热、损耗能量，路走不通。
太赫兹波导：科学家发明了一种新的“空中高速公路”，用一根聚丙烯（PP）塑料棒（就像一根透明的玻璃管）来引导信号。信号在里面跑，损耗很小，速度极快。

问题来了：在真实的电路板（PCB）上，这根“塑料高速公路”不可能悬空飘着，它必须紧挨着电路板走。而电路板上有塑料基板（像路下的泥土）和铜线（像路边的金属护栏）。
这篇论文就是想知道：当这根“塑料高速公路”离电路板太近时，信号会不会被旁边的东西“偷走”或者“干扰”？

2. 核心实验：三种“路况”测试

研究人员用 3D 打印做了一根特制的塑料波导，然后在 220-325 GHz 的超高频段下，测试了它靠近三种不同电路板时的表现：

情况一：裸板（只有塑料，没有铜）

比喻：高速公路旁边是松软的烂泥地（FR4 基板）。
现象：当波导直接贴在泥地上时，信号就像掉进了泥坑里。
结果：信号损失极其严重！特别是在 240-260 GHz 这个频段，信号几乎全没了（损失超过 45 分贝）。
原因：太赫兹信号有一种“隐形触角”（叫倏逝场），它会伸出塑料管外。如果旁边是损耗大的塑料泥地，这些“触角”就会把能量吸走，就像海绵吸水一样。

情况二：全铜覆盖板（一面全是铜）

比喻：高速公路旁边换成了光滑的金属墙（铜层）。
现象：信号损失大大减少，变得很平稳。
结果：即使贴得很近，信号损失也降到了只有 8 分贝左右。
原因：铜墙像一面镜子，把伸出去的“隐形触角”给弹回来了，不让能量漏到后面的泥地里去。铜层起到了屏蔽保护的作用。

情况三：有间隔的铜线板（像栅栏一样的铜条）

比喻：高速公路旁边是一排排间隔开的金属栅栏。
现象：这取决于你怎么走，以及栅栏有多密。
- 平行走（顺着栅栏走）：
  - 如果你走在铜条上：就像在金属上跑，会有点损耗（电流发热）。
  - 如果你走在缝隙里：就像在缝隙里跑，信号会直接漏到下面的泥地里，损失反而更大！
  - 结论：栅栏越稀疏，缝隙越大，漏得越多。
- 垂直走（横穿栅栏）：
  - 如果你横着穿过密集的栅栏：金属挡住了大部分泥地，保护了信号。
  - 如果你横着穿过稀疏的栅栏：信号会频繁地穿过缝隙掉进泥地里，损失变大。

3. 关键发现：距离就是生命

论文还发现了一个简单的道理：离得越远，越好。

就像你离一个正在漏水的水龙头越远，被淋湿的可能性就越小。
只要把波导和电路板之间的距离拉开一点点（比如从 0 毫米拉到 1 毫米），信号损失就会断崖式下降。因为那个“隐形触角”在空气中衰减得很快。

4. 总结：给工程师的“避坑指南”

这篇论文给未来的芯片和通信设计者提供了几个实用的建议：

别让它裸奔：如果你的太赫兹波导直接贴在普通的电路板塑料上，信号会死得很惨。
加层铜皮：在波导和电路板之间加一层铜箔，就像给信号穿了一层“防弹衣”，能挡住能量泄露。
保持距离：如果空间允许，尽量把波导架高一点，不要贴得太死。
注意方向：如果必须用带铜线的电路板，要注意波导是顺着铜线走，还是横着走，这会影响信号是“被金属吸走”还是“漏进泥地”。

一句话总结：
在太赫兹时代，“距离产生美，铜皮保平安”。只要设计得当，这种新型的高速公路就能在复杂的电路板环境中安全、高效地传输海量数据。

这是一份关于论文《Terahertz Channel Transmission in Dielectric Waveguide Near PCB Substrate》（PCB 基板附近介质波导的太赫兹信道传输）的详细技术总结。

1. 研究背景与问题 (Problem)

随着高集成度电子系统对短距离、大容量、低损耗互连需求的增加，太赫兹（THz）频段被视为突破传统电互连带宽瓶颈的关键技术。介质波导（Dielectric Waveguides）因其低损耗、低色散和宽带特性，被认为是理想的 THz 导波介质。

然而，现有的研究多集中在理想环境下的波导特性，缺乏对实际封装环境（特别是邻近 PCB 基板）影响的深入理解。在实际系统中，介质波导通常紧邻 PCB 基板、铜走线和阻焊层。由于空气包层介质波导的导模具有延伸至周围空间的倏逝场（Evanescent Field），邻近的介质或金属结构会改变模态边界条件，导致能量泄漏、吸收或寄生耦合，从而引起严重的额外传输损耗（Excess Loss）。这种近场耦合效应在 THz 频段尤为显著，因为波长、波导尺寸与封装公差相当，微小的间距变化即可大幅改变传输特性。

2. 研究方法 (Methodology)

为了量化 PCB 环境对介质波导传输的影响，作者采用了实验测量、材料表征与理论建模相结合的方法：

实验对象：
- 波导：采用 3D 打印（FDM 技术）制造的聚丙烯（PP）介质波导，截面为 $1 \times 1 \text{ mm}^2$ ，工作频段为 220-325 GHz。选择 PP 是因为其在 THz 频段具有低损耗、弱色散和易加工性。
- PCB 样本：设计了三种类型的 PCB 样本：
  1. 裸 PCB（无金属层）。
  2. 单面全铜覆盖 PCB（波导 facing 侧）。
  3. 周期性铜走线 PCB（走线宽 1mm，间距 1-4mm 不等，对应不同的铜覆盖率）。
测量系统：
- 使用连续波（CW）太赫兹系统（220-325 GHz）进行信道传输测试。
- 使用太赫兹时域光谱（THz-TDS）系统表征 PCB 基材（FR4）和阻焊层的介电特性。
- 通过精密平移台控制波导与 PCB 之间的间距（ $g = 0, 0.5, 1 \text{ mm}$ ）。
- 实验设置包含 U 型弯曲路径，以排除视距（LOS）直射干扰，确保测量的是波导传输信号。
建模与仿真：
- 建立了等效辐射信道模型（Equivalent Radiation-Channel Model），结合有效折射率法（EIM）和频谱加权项，解析描述近场耦合引起的损耗。
- 利用二维有限元法（FEM）进行全波仿真，验证实验结果。

3. 关键贡献 (Key Contributions)

揭示了 PCB 环境对 THz 介质波导的定量影响：首次系统性地量化了裸 PCB、全铜 PCB 及不同走线密度 PCB 在不同间距下对 220-325 GHz 介质波导传输损耗的具体影响。
阐明了近场耦合机制：区分了“介质加载导致的泄漏”与“金属屏蔽效应”，揭示了倏逝场与邻近结构相互作用的主导机制。
提出了简化的解析模型：建立了一个能够复现实验观测到的频率选择性损耗和间距指数衰减特性的等效辐射信道模型，为快速评估提供了理论工具。
提供了封装感知的工程设计指南：针对波导与 PCB 的相对位置（平行/垂直）、金属覆盖密度及间距，给出了具体的优化建议。

4. 主要结果 (Key Results)

A. 裸 PCB 与全铜 PCB 的对比

裸 PCB（直接接触）：当波导与裸 PCB 直接接触（ $g=0$ ）时，产生严重且频率选择性的额外损耗。在 240-260 GHz 频段，损耗峰值超过 45 dB，达到系统动态范围极限。这是由于倏逝场与损耗性 FR4 基板发生高效的近场耦合/泄漏所致。
全铜 PCB：当波导 facing 侧为全铜层时，铜层充当电磁屏障，抑制了向基板的能量泄漏。额外损耗显著降低至约 8 dB，且频谱响应更加平滑。
间距影响：对于两种 PCB，额外损耗均随间距增加而迅速下降。当间距从 0 增加到 1 mm 时，损耗迅速趋近于零，表现出典型的近场倏逝场指数衰减特征。
色散影响：PCB 的邻近对波导的群速度色散（GVD）影响微乎其微，传输退化主要由泄漏和衰减引起，而非色散惩罚。

B. 周期性铜走线 PCB 的影响

研究考察了不同铜覆盖率（20%-49%）及波导与走线相对方向（平行/垂直）的影响：

平行配置（Parallel）：
- 走线上方（On-trace）：波导位于铜走线上。损耗主要由金属诱导的电流耗散和模态扰动引起。在走线密集时损耗较大。
- 走线之间（Between-traces）：波导位于走线间隙上方。此时主要发生通过介质窗口向基板的泄漏。随着走线间距增大（铜覆盖率降低），介质开口变大，泄漏增强，损耗反而可能增加。
- 结论：平行方向下的损耗是“金属电流提取”与“间隙介导的基板泄漏”之间的竞争。
垂直配置（Perpendicular）：
- 波导垂直穿过走线阵列。
- 密集走线：金属条占据了波导下方的大部分区域，有效屏蔽了倏逝场与基板的接触，损耗最小。
- 稀疏走线：随着间距增大，屏蔽作用减弱，倏逝场更容易穿透间隙进入损耗性基板，导致损耗显著增加。
- 结论：垂直方向下，密集走线充当了有效的屏蔽边界，而稀疏走线则允许更强的场穿透。

C. 模型验证

提出的等效辐射信道模型成功复现了实验中的两个主要特征：

损耗随间距的指数衰减关系。
在 250 GHz 附近出现的频率选择性损耗增强。
模型虽未包含边缘散射等复杂细节，但足以解释主导物理机制。

5. 意义与展望 (Significance)

指导实际封装设计：该研究为 THz 互连系统的 PCB 级封装设计提供了关键依据。设计者可以通过调整波导与 PCB 的间距、利用铜层屏蔽或优化走线布局来最小化传输损耗。
推动 THz 系统集成：结果证明了在紧凑封装中，通过合理的结构设计（如使用铜屏蔽层或保持适当间距），可以克服介质波导对邻近结构的敏感性，使其适用于 Chiplet 互连、天线到芯片/电路的馈电以及紧凑型 6G 通信和传感系统。
填补研究空白：填补了从理想波导特性研究向实际复杂封装环境（PCB 邻近效应）研究的空白，强调了“封装感知（Packaging-aware）”设计在太赫兹系统中的必要性。

总结：本文通过实验和理论分析，证实了 PCB 结构对 THz 介质波导传输具有决定性影响。直接接触裸基板会导致灾难性损耗，而铜层屏蔽或增加间距可有效抑制损耗。这一发现对于未来高集成度太赫兹系统的互连设计具有极高的实用价值。